Costruzione e messa a punto di un biotestattore fotosintetico di alghe a bilanciere a banco con monitoraggio della temperatura, della luce e del pH per test di crescita cinetica

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di assemblare un bioreattore fotosintetico su scala di banco con luce, pH e temperatura continui, monitorando gli esperimenti di crescita algale. Pertanto, quantificare la crescita delle alghe utilizzando una configurazione monitorata e controllata, consente ai ricercatori di valutare meglio la crescita delle alghe. Il che può aiutare a rispondere a domande chiave per rendere i biocarburanti a base di alghe una realtà.

Il vantaggio principale di questo approccio è che si tratta di una configurazione personalizzabile e potenzialmente più conveniente, per il monitoraggio in tempo reale degli esperimenti di crescita algale. Abbiamo voluto sviluppare questo tipo di bioreattore fotosintetico quando ci siamo resi conto dell'importanza di mantenere il controllo all'interno della cultura e dell'ambiente dinamico delle alghe. La dimostrazione regionale di questo metodo è fondamentale, poiché molti dei passaggi sono difficili da apprendere se non si ha familiarità con la terminologia e le pratiche dell'ingegneria elettrica.

Per iniziare questa procedura, costruire un PBR su scala da banco. Determinare le dimensioni, la forma e il design del corpo e del coperchio in PBR, come descritto nel protocollo di testo. Utilizzando un cavo del trasmettitore, collegare l'amplificatore a guadagno unitario alla sonda di pH.

Quindi, prelevare l'adattatore coassiale, che ha terminali di porta positivo e negativo. Collegare l'adattatore all'altra estremità dell'amplificatore a guadagno unitario. Per realizzare un filtro passa-basso, utilizzare degli spelafili per tagliare due pezzi di filo del connettore verde da 15 centimetri e un pezzo del cavo del connettore nero da 30 centimetri.

Spellare circa 0,6 centimetri di isolamento da un'estremità di ciascuno dei fili verdi e da entrambe le estremità del filo nero. Quindi, spellare circa 1,25 centimetri dall'altra estremità dei fili verdi. Con attenzione, avvolgere una gamba del resistore da 1000 ohm attorno alla sezione spelata di 1,25 centimetri di uno dei fili verdi del connettore.

Avvolgere l'altra gamba del resistore attorno alla sezione spelata di 1,25 centimetri dell'altro filo verde. Utilizzando un saldatore e una saldatura senza piombo, saldare le gambe del resistore al filo. Lascia raffreddare la saldatura per due-cinque minuti.

Successivamente, coprire il resistore e il filo saldato con un pezzo di tubo termorestringente di quattro centimetri. Utilizzando una pistola termica, termorestringi il tubo, assicurandoti che la plastica si avvolga strettamente attorno al resistore e ai fili. Quindi, fissare un'estremità del cavo del connettore nero al polo del terminale negativo dell'adattatore coassiale.

Inserire l'altra estremità del cavo in uno dei terminali di terra dell'unità di acquisizione dati e di controllo. Collegare un'estremità del cavo del connettore verde al polo del terminale positivo dell'adattatore coassiale. Quindi, inserire l'altra estremità in un terminale di ingresso analogico libero sull'unità di acquisizione e controllo dati.

Inserire il cavo positivo del condensatore da 1000 microfarad nello stesso terminale di ingresso analogico. Fissare il cavo negativo del condensatore allo stesso terminale di terra utilizzato per il cavo del connettore nero. Successivamente, collegare il sensore di temperatura all'unità di acquisizione e controllo dati, come indicato nel protocollo di testo.

Dopo aver impostato l'acquisizione dei dati in tempo reale e il file sperimentale, inserire sia l'elettrodo pH che la sonda di temperatura nel tampone di calibrazione del pH sette. Verificare che la soluzione sia alla temperatura desiderata, come indicato nel protocollo di testo. Dopo che l'uscita della tensione dell'elettrodo pH si è stabilizzata, registrare sia la temperatura che i dati elettrici del pH in un file.

Assicurarsi che non siano state applicate conversioni al canale del pH e che la media dei canali sia disattivata. Ripetere la calibrazione per i tamponi quattro e 10. Generare un'equazione di conversione, come descritto nel protocollo di testo, e aggiornare questa equazione nel file sperimentale.

Quindi, applicare questa conversione del pH al canale del pH. Dopo aver preparato l'inoculo di alghe e il terreno di crescita, impostare il PBR in preparazione per l'esperimento. Infilare il cavo del sensore di luce attraverso la porta del coperchio.

Quindi, montare la testa del sensore di luce sul supporto di estensione del coperchio PBR. Quindi, utilizzare un tappo di gomma per sigillare la porta del coperchio. Posizionare l'albero della girante sopra l'albero del mini motoriduttore CC, all'interno del coperchio PBR, e fissare l'albero con una vite di fermo e una chiave a brugola.

Aggiungere il terreno di coltura specifico per le alghe preparato. Successivamente, posizionare il coperchio sul PBR e fissarlo con le viti. Mettere in un'incubatrice a 25 gradi Celsius.

Inserire la sonda di temperatura nell'apposita porta, fissandola con un tappo di gomma. Quindi, fissare la sonda di pH nel supporto filettato PG 13.5 del coperchio del reattore. Assicurarsi che il sensore di luce sia collegato all'unità di acquisizione e controllo dati, con un filtro passa-basso, come descritto nel protocollo di testo.

Quindi, accendere la girante del miscelatore alla velocità desiderata. Configurare l'alimentatore CC variabile, accanto al PBR. Accendere l'alimentatore e regolare la tensione, fino a quando il valore della tensione non legge zero volt.

Successivamente, spegnere l'alimentazione. Collegare le linee di alimentazione del motore della girante ai terminali di uscita positivo e negativo dell'alimentazione variabile. Accendere l'alimentazione e aumentare lentamente la tensione fino a raggiungere la velocità di miscelazione desiderata.

Quindi, centra la lampada di coltivazione lungo la faccia anteriore del PBR, assicurandoti che il percorso della luce sia orientato verso il sensore di luce. Accendi la lampada di coltivazione e regola l'intensità della luce secondo necessità, spostando la lampada verso o lontano dal reattore. Monitora e registra i dati del sensore da sei a 24 ore, come indicato nel protocollo di testo.

Successivamente, utilizzare una pipetta di trasferimento per aggiungere l'inoculo di alghe attraverso la porta di campionamento. Dopo aver monitorato le condizioni, per assicurarsi che rimangano nell'intervallo, utilizzare una pipetta per rimuovere le colture per l'analisi, se necessario, attraverso la porta di campionamento. Utilizzando il display dei dati, monitorare la temperatura dell'acqua.

Regolare manualmente il setpoint della temperatura dell'aria dell'incubatrice, per mantenere costante la temperatura dell'acqua. Il pH è controllato con un'elettrovalvola a 12 volt, in linea con un serbatoio di CO2 al 99%. L'apertura della valvola avviene tramite l'unità di acquisizione e controllo dati.

In questo studio viene costruito un bioreattore fotosintetico per monitorare e controllare esperimenti di crescita cinetica algale su scala di banco. I dati della temperatura logaritmica dimostrano come l'illuminazione della luce, la temperatura dell'aria dell'incubatore e la dissipazione di energia associate alla crescita delle alghe possano modificare la temperatura all'interno del bioreattore. Questi dati in tempo reale vengono utilizzati per regolare i controlli dell'incubatore, se necessario, per controllare la dinamica, la cultura e l'ambiente.

La luce misurata enfatizza ulteriormente la natura dinamica di questo ambiente di coltivazione. Mentre la lettura del sensore di luce è di circa 100 PPFD, prima delle alghe scende immediatamente a 85, dopo l'inoculazione del reattore. La luce continua a calare, raggiungendo meno di cinque PPFD, il settimo giorno.

La diminuzione dell'intensità luminosa, può essere dovuta all'aumento della biomassa e della conta cellulare, oppure all'aumento dell'assorbimento, dovuto all'aumento del contenuto di clorofilla. In entrambi gli scenari, questo dimostra che le alghe sono ancora attive fino al settimo giorno, nonostante i bassi livelli di luce. I dati registrati continuamente mostrano che nel complesso il pH è adeguatamente controllato, utilizzando l'algoritmo di controllo implementato.

Sebbene ci sia un aumento del pH previsto immediatamente dopo l'inoculazione del PBR con le alghe, viene rapidamente controllato dal sistema. Tuttavia, i dati in tempo reale evidenziano la sensibilità degli elettrodi di pH al rumore elettrico esterno, che può portare a valori anomali estremi e potenzialmente interrompere i sistemi di controllo. Sebbene questo metodo sia implementato per un PBR algale, queste tecniche di monitoraggio dal vivo possono essere applicate anche ad altri reattori microbici che richiedono il monitoraggio del pH e/o della temperatura.

Una volta costruito il PBR e completata l'acquisizione dei dati, si dovrebbe essere in grado di impostare un PBR per il monitoraggio in tempo reale per l'esperimento in una o due ore. Durante il tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di leggere e comprendere i principi di misurazione, il funzionamento dei sensori e di convalidare le misurazioni con altri dispositivi portatili. Per seguire questa procedura, è possibile aggiungere altri miglioramenti, come il controllo automatico del pH, alla configurazione PBR.

Queste istruzioni forniscono una base per il framework di acquisizione dati, necessario prima di implementare questi feedback di controllo più sofisticati. Non dimenticare che lavorare con elettricità, ioni fluoruro e silicone acrilico può essere estremamente pericoloso. Quindi le precauzioni dovrebbero essere sempre prese.

Dopo aver visto questo video, dovresti essere in grado di assemblare e configurare un PBR da banco per il monitoraggio in tempo reale di pH, temperatura e luce.